Development of the regulatory framework for progressive fasteners for motor vehicles

Лавриненко Ю. А., д. т. н., заведующий отделом стандартизации продукции автомобилестроения Шачнев П. Г., директор центра «Стандартизация и идентификация» ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

РАЗВИТИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ НА ПРОГРЕССИВНЫЕ КРЕП¨ЖНЫЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Креп¸жные изделия являются одними из самых многочисленных компонентов автомобилей, значи тельно влияющих на над¸жность и качество полно комплектных транспортных средств (ТС). В одном автомобиле производства ОАО «АВТОВАЗ» приме няется в среднем 3000 креп¸жных деталей более 600 наименований, в автомобилях ОАО «ГАЗ» — до 5600 креп¸жных деталей около 380 наименований, ОАО «УАЗ» — до 3100 креп¸жных деталей более 200 наименований, что составляет в среднем порядка 30 % от общего количества деталей этих ТС.

Совершенствование форм и размеров креп¸жных деталей, а также требований к их прочности, тв¸р дости, пределу текучести, удлинению при разрыве, ударной вязкости лежит в основе повышения качества, над¸жности и конкурентоспособности современных креп¸жных систем, применяемых в автомобильных транспортных средствах [15, 11].

КРЕП¨Ж ПРОШЛОГО ВЕКА — ТОРМОЗ РАЗВИТИЯ

О необходимости совершенствования креп¸жных систем свидетельствует тот факт, что в отечествен

Двигатель, привод 500 шт. 8,7 кг.

ных ТС количество креп¸жных изделий на 2050 % больше, чем в зарубежных. При этом доля традици онных креп¸жных операций при техническом обслу живании отечественных ТС составляет 2026 %, тогда как в зарубежных — 3,9 %.

Более 50 % трудо¸мкости всех сборочных работ на автомобильном конвейере относится на долю резь бовых соединений, поэтому снижение трудо¸мкости сборочных работ во многом зависит от применения прогрессивных систем крепежа.

Технический уровень креп¸жных систем, приме няемых в российских автомобилях, отста¸т от евро пейского и мирового уровня на 4050 лет.

Например, на ОАО «АВТОВАЗ» применяется нор мативная база ФИАТВАЗ версии 1966 года, которая не соответствует современным требованиям стан дартов ISО и DIN.

К сожалению, темпы роста уровня примене ния современных креп¸жных соединений в оте чественном автомобилестроении являются недо пустимо низкими. В целом количество креп¸жных изделий прогрессивных конструкций в россий ских автомобилях составляет 34 %, в то время

Кузов, шасси 360 шт. 2 кг.

Прочие 193 шт. 1,5 кг.

Крепёжные детали в легковом автомобиле

Интерьер 596 шт. 6,8 кг.

как в современных зарубежных автомобилях 6080 %. возможно уменьшение диаметра болта на 50 %. В отечественном автомобилестроении необходимо расширение применения экономнолегированных борсодержащих сталей 12Г1Р, 20Г2Р, 30Г1Р, 35Г1Р, в том числе легированных хромом до 1 %, для изго товления высокопрочного крепежа классов 8.8, 9.8, 10.9, 12.9 в качестве эффективной унифицированной замены сталей 30, 35, 35Х, 38ХА, 40, 45, 40Х [6, 7].

При этом в современных зарубежных автомобилях доля высокопрочного крепежа составляет 6080 %, а в отечественных моделях автомобилей эта доля является неоправданно низкой.

Высоконагруженные узлы автомобиля, например, двигатель и подвеска, являются основной областью применения высокопрочного крепежа. При этом не рекомендуется использовать высокопрочный креп¸ж для скрепления деталей и узлов из алюминиевых или магниевых сплавов.

Технический уровень крепёжных систем, применяемых в российских автомобилях, отстаёт от европейского и мирового уровня на 40-50 лет.

Это вед¸т к увеличенному весу не только самих комплектов креп¸жа, но и собираемых узлов, высо кой трудо¸мкости сборочных работ, недостаточному качеству и над¸жности резьбовых соединений при эксплуатации ТС.

Такое неприемлемое положение, сложивше еся в настоящее время, требует принятия срочных мер для его исправления и, в первую очередь, раз работки новых стандартов при соответствующем финансировании.

О НАПРАВЛЕНИЯХ РАЗВИТИЯ

КРЕП¨ЖНЫХ СИСТЕМ

Анализ структуры применяемых стержневых кре п¸жных изделий на разных моделях отечественных ТС показывает, что доля применяемых фланцевых болтов крайне низкая и составляет в среднем от 1,6 до 5,9 %. Для сравнения — доля фланцевых болтов в легковых автомобилях марок Ford Fiesta — 62 %, Nissan Micra — 57 %. В свою очередь, число пло ских, пружинных, зубчатых и других видов шайб в отечественных автомобилях неоправданно велико и достигает 30–38 % от общего количества креп¸жных деталей в машинокомплекте. Наблюдается необосно ванный рост номенклатуры креп¸жных элементов по специальным чертежам.

Одним из принципов создания современной авто мобильной техники является снижение веса автомо бильных компонентов с одновременным повыше нием прочности. Например, замена шестигранного болта на болт со звездообразной головкой позволяет получить экономию веса на 19 %, а экономию мате риала на 35 %. Замена шестигранного фланцевого болта на болт со звездообразной головкой позволяет уменьшить вес головки и расход материала на 23 %.

При этом применение фланцевых болтов со звездообразной головкой да¸т возможность умень шить монтажное пространство и массу фланцевого соединения до 50 %.

Необходимо отметить эффективность примене ния высокопрочных болтов, что позволяет создавать облегч¸нные конструкции как за сч¸т уменьшения массы самих болтов, так и за сч¸т уменьшения раз меров проектируемого соединения в целом. Напри мер, при переходе от класса прочности 4.6 к 10.9

Для сталей, чугуна с шаровидным графитом и порошковых металлов поверхностное давление лими тируют так же, как и прочность резьбы. При исполь зовании в узлах гаек требуется немного большая высота гайки, при этом может быть примен¸н мате риал, обеспечивающий класс прочности 10 или 12.

Исследования конструкций винтов показали, что соизмеримые размеры фланцев деталей класса 10.9 по ISО или DIN можно применять и в высокопрочном крепеже.

При использовании высокоуглеродистых сталей штампуемость исходного материала является опре деляющим фактором для выбора формы головки креп¸жной детали [8, 9]. При использовании матери ала прочностью 1600 МПа размер креп¸жной детали М20 класса прочности 10.9 может быть уменьшен до М16. При использовании материала прочностью 1300...1600 МПа возможно уменьшение размера до М18.

Для крепежа меньших типоразмеров возможно сти для уменьшения размеров ниже. Например, для креп¸жных деталей М12 и М10 возможно уменьшение размера на 1 мм при использовании материала проч ностью 1300...1400 МПа и на 2 мм при использовании материала прочностью 1600 МПа.

Стандартные стали для термоулучшенных болтов классов прочности 8.8, 10.9 и 12.9 можно приме нять при температурах не более 300 °С. При больших

В современных зарубежных автомобилях доля высокопрочного крепежа составляет 60-80 %, а в отечественных моделях автомобилей эта доля является неоправданно низкой.

температурах в автомобилях, изготовленных в Западной Европе, используют теплостойкие стали марок 1.7709, 1.4923, 1.4980, 2.4952.

Одним из направлений снижения расхода топлива и уровня вредных выбросов автомобилей является уменьшение размеров двигателя при сохранении той же мощности и крутящего момента. Принцип уменьшения размеров базируется на применении условий нагружения более высокого уровня, так или иначе влияющих на все узлы двигателя.

Производители крепежа ставят задачу способ ствовать этим разработкам пут¸м уменьшения раз меров крепежа. Для этого применяют креп¸ж из высокопрочных сталей, при этом возможно исполь зование крепежа меньших размеров для работы в более нагруженных условиях.

Креп¸ж с прочностью 1300...1800 МПа является новым поколением компонентов двигателя, исполь зование которых вед¸т к дальнейшему уменьшению размеров. Стоит задача разработки новых сталей для изготовления ультрапрочного крепежа клас сов 14.9, 18.9. Примером ультравысокопрочной стали для крепежа класса прочности 14.9 является сталь KNDS4 [10].

Исследования конструкций винтов показали, что соизмеримые размеры фланцев деталей класса 10.9 по ISО или DIN можно применять и в высокопрочном крепеже. При использовании высокоуглеродистых сталей штампуемость исходного материала явля ется определяющим фактором для выбора формы головки креп¸жной детали. Применение высокопроч ных сталей для высадки креп¸жных деталей требует применения новых способов штамповки с примене нием рациональных технологических схем [4, 5].

Высокопрочные детали можно также применять в случаях, когда прочности используемого кре пежа недостаточно изза повышенных требований к существующим конструкциям узлов, а также при небольших изменениях конструкции всего узла.

Одним из путей повышения эффективности креп¸жных резьбовых соединений является также применение самонарезающих винтов с новой кон струкцией резьбы. Преимуществами нового профиля резьбы являются: — высокая над¸жность против самооткручивания при вибрациях; — высокая над¸жность при динамических нагрузках; — более высокая прочность винта на растяжение и кручение; — минимальные радиальные напряжения в отверстии; — благоприятное течение пластмассы при закручивании;

— снижение шума в салоне изза сохранения усилия затяжки при эксплуатации.

Снижения веса конструкции узла автомобиля можно достичь также за сч¸т применения болтов из алюминиевых сплавов. Преимуществами применения подобных болтов являются: — сохранение постоянства качества соединения при эксплуатации за сч¸т одинакового с магнием температурного расширения; — высокая коррозионная стойкость благодаря небольшим различиям в электрохимическом потен циале; — малый вес, уменьшение глубины резьбового отверстия.

Болты из алюминиевых сплавов применяют для соединения деталей из алюминиевых и магниевых сплавов в приборах, коробках передач, двигателях. Свойства материала: предел прочности 380 МПа, относительное удлинение 8 %, тв¸рдость НВ 115, плотность 2,7 г / мм 3, максимальная рабочая темпе ратура до 150 °С.

Например, на двигателе концерна BMW NG6 применяют 189 алюминиевых болтов. На автомати ческой коробке передач ZF 7GTrnic — 150 алюми ниевых болтов. За сч¸т применения алюминиевого блока, магниевой коробки передач, алюминиевого вала, оптимизации конструкций креп¸жных деталей масса двигателя автомобиля Audi A4 «new» снижена на 110 кг.

Изучение передового зарубежного опыта, а также работы последних лет ведущих специалистов по созданию и применению прогрессивных креп¸жных деталей в отечественных автомобилях и двигателях позволяют сформулировать основные направления развития крепёжных систем и их составных частей в отечественных ТС: — сокращение применения большинства пружин ных и плоских шайб; — увеличение использования фланцевых креп¸ж ных изделий; — унификация большого количества разно образных форм головок винтов и болтов в пользу фланцевых болтов со звездообразным наружным профилем, а также звездообразным углублением под ключ; — увеличение использования высокопрочных креп¸жных изделий классов прочности 8.8, 10.9, 12.9, 14.9; — увеличение использования экономнолегиро ванных борсодержащих сталей для изготовления креп¸жных изделий; — переход от требований повышенной точности и специальных резьб к точности 6g, 6Н; — увеличение использования фланцевых

самостопорящихся гаек с механической системой стопорения; — увеличение использования резьбовыдавлива ющих винтов, образующих резьбу в гладком отвер стии в процессе сборки, обладающих свойством самостопорения; — увеличение использования болтов с невыпа дающей шайбой; — освоение и применение адгезивных смазок и герметиков для разъ¸мных и неразъ¸мных резьбовых соединений.

Однако практическая реализация новых тех нических решений в отечественном автомобиле строении ид¸т недостаточными темпами, и поэтому отставание от достижений передовых зарубежных автопроизводителей постоянно увеличивается.

ТРЕБОВАНИЯ К КРЕПЕЖУ

ОПРЕДЕЛЯЮТ СТАНДАРТЫ

Необходимо отметить, что технический уровень креп¸жных деталей, изготавливаемых отечествен ными производителями, в первую очередь зависит от технических требований, установленных националь ными стандартами.

За последние 5 лет специалисты ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» в рамках технического комитета по стан дартизации ТК 056 / МТК 56 «Дорожный транспорт» разработали ряд стандартов на прогрессивные кре п¸жные изделия для отечественных автомобильных транспортных средств (таблица 1).

Таблица 1 — Перечень стандартов на крепёжные изделия, разработанные ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» в рамках технического комитета по стандартизации ТК 056 / МТК 56 «Дорожный транспорт» (по состоянию на декабрь 2021 г.)

Обозначение

Наименование стандарта

ГОСТ ISO 21670 – 2015 Гайки шестигранные приварные с фланцем ГОСТ ISO 10684 – 2015 Изделия крепежные. Покрытия, нанесенные методом горячего цинкования ГОСТ ISO 16047 – 2015 Изделия крепежные. Испытания крутящего момента и усилия предварительной затяжки ГОСТ ISO 14579 – 2015 Винты с цилиндрической головкой и звездообразным углублением под ключ ГОСТ ISO 14583 – 2015 Винты со скругленной головкой и звездообразным углублением под ключ ГОСТ ISO 12126 – 2016 Гайки шестигранные самостопорящиеся цельнометаллические с фланцем c мелким шагом резьбы. Тип 2. Классы точности А и В ГОСТ ISO 7044 – 2016 Гайки шестигранные самостопорящиеся цельнометаллические с фланцем. Тип 2. Классы точности А и В ГОСТ ISO 10511 – 2016 Гайки шестигранные низкие самостопорящиеся (с неметаллической вставкой) ГОСТ ISO 10512 – 2016 Гайки шестигранные самостопорящиеся (с неметаллической вставкой) с мелким шагом резьбы. Классы прочности 6, 8 и 10 ГОСТ Р ИСО 10673 – 2017 Шайбы плоские для винтов с шайбами в сборке. Уменьшенная, нормальная и увеличенная серия. Класс точности А ГОСТ Р ИСО 10644 – 2017 Винты с шайбами в сборке, изготовленные из стали, с плоскими шайбами. Шайбы классов твердости 200 HV и 300 HV ГОСТ Р ИСО 10669 – 2017 Шайбы плоские для самонарезающих винтов с шайбами в сборке. Нормальная и увеличенная серия. Класс точности А ГОСТ Р ИСО 10683 – 2020 Изделия крепежные. Системы неэлектролитических цинкламельных покрытий ГОСТ Р 59110 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные. Сбеги и недорезы для метрической резьбы ИСО ГОСТ Р 59132 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные. Поднутрения. Формы и размеры ГОСТ Р 59090 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные. Параметры затяжки. Упрощенный метод определения соотношения крутящего момента / угла поворота ГОСТ Р 59091 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные. Определение сопротивления крутя щему моменту анаэробных клеев на резьбовых крепежных соединениях  ГОСТ Р 52854 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Болты со звездообразной головкой и малым фланцем ГОСТ Р 58799 – 2020 Автомобильные транспортные средства. Гайки шестигранные приварные ГОСТ ISO 3269 – 2021 Изделия крепежные. Приемочный контроль ГОСТ ISO 2320 – 2021 Гайки стальные самостопорящиеся. Механические и эксплуатационные свойства ГОСТ Р ИСО 14581 – 2021 Изделия крепежные. Винты с потайной головкой и звездообразным углублением под ключ ГОСТ Р ИСО 14582 – 2021 Изделия крепежные. Винты с высокой потайной головкой и звездообразным углублением под ключ ГОСТ Р 59855 – 2021 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные с резьбой. Испытания на сопротивле ние усталости при осевой нагрузке. Методы испытаний и оценка результатов  ГОСТ Р 59854 – 2021 Автомобильные транспортные средства. Изделия крепежные. Винты самонарезающие с полукруглой головкой с буртом и звездообразным углублением под ключ ГОСТ Р ИСО 10664 – 2021 Изделия крепежные. Углубление звездообразное под ключ для болтов и винтов

Однако разработанных стандартов явно недоста точно, а финансирование работ по этому направлению стандартизации практически отсутствует.

В настоящее время большая часть действующих в РФ стандартов требует гармонизации с актуаль ными международными и европейскими стандар тами. При этом количество ранее гармонизированных стандартов составляет: по болтам — 12 наимено ваний, по винтам и шурупам — 14; по гайкам — 11. Для сравнения, в Германии на болты, винты и шпильки применяются стандарты DIN в количестве 633 наименований, на гайки разных конструкций — 548 наименований.

Степень гармонизации национальных стандар тов со стандартами ISO 1015 лет назад не превы шала 23 %. А в настоящее время при нарастающем отставании — не более 5 %.

В качестве российских национальных стандар тов на креп¸жные изделия назрела необходимость принять (с предварительным анализом) порядка 100 действующих международных стандартов на кон струкцию, размеры и технические требования.

РАЗВИТИЕ АВТОПРОМА

БЕЗ РАЗВИТИЯ КРЕП¨ЖНЫХ

СИСТЕМ НЕВОЗМОЖНО

В настоящее время работы по стандартизации современных креп¸жных изделий проводятся в недо статочном объ¸ме как в целом, так и для автомобиль ной промышленности. Для повышения конкурен тоспособности и качества российских автомобилей, которые напрямую зависят от качества и технического уровня креп¸жных изделий, необходима резкая акти визация работ по разработке стандартов для перспек тивных систем крепeжа. Для этого нужна реальная государственная поддержка и требуется возобновле ние бюджетного финансирования указанных работ.

Ближайшей задачей по стандартизации современ ных систем крепежа для отечественной автомобиль ной промышленности должна быть активизация и расширение работы подкомитета Технического коми тета по стандартизации ТК 056 / МТК 56 «Дорожный транспорт» (в рамках соглашения о взаимодействии с ТК 375 «Металлопродукция из ч¸рных металлов и сплавов») по развитию нормативной базы на кре п¸жные системы, основанной на международных и европейских стандартах DIN, EN, ISO. Естественно, указанные работы требуют срочного и значительного увеличения объ¸ма финансирования.

Это позволит существенно повлиять на повышение технического уровня креп¸жных систем, сократить время на разработку собственных конструкций кре пежа и уменьшить сроки подготовки производства при их внедрении на российских автомобильных заводах.

Развитие нормативной базы на креп¸жные изде лия позволит конструкторам автомобильной техники обоснованно и в широких масштабах закладывать в проекты новых ТС прогрессивные креп¸жные изде лия, тем самым способствуя повышению техниче ского уровня и конкурентоспособности отечественных транспортных средств с одновременным снижением затрат на их производство.

Литература 1. Лавриненко, Ю. А. О применении в автомобилях креп¸ж ных деталей прогрессивных конструкций / Ю. А. Лавриненко, Г. В. Бунатян // Метизы. — 2003. — ¹ 2. 2. Кирпичников, А. А. Снижение затрат при эксплуатации: резервы конструкций АТС / А. А. Кирпичников // Автомобиль ная промышленность. — 2004. — ¹ 7. 3. Закиров, Д. М. Оптимизация конструкций креп¸жных дета лей в автомобилях ВАЗа: Сб. докладов 4й международной конференции. Развитие через качество — теория и прак тика / Д. М. Закиров, Ю. А. Лавриненко, А. А. Хайруллин. — Тольятти: ТолПИ, 2000. 4. Лавриненко, Ю. А. Направления совершенствования кре п¸жных соединений в автомобильной технике / Ю. А. Лав риненко, Г. В. Бунатян, А. Л. Карташов, В. М. Андрея нов // Метизы. — 2005. — ¹ 1. 5. Бунатян, Г. В. Комплекты креп¸жных деталей — резерв совершенствования отечественных АТС / Г. В. Бунатян, Ю. А. Лавриненко, В. А. Доброхотов // Автомобильная про мышленность. — 2005. — ¹ 4. 6. Лавриненко, В. Ю. Критерии выбора и рационального при менения материалов для высокопрочных крепежных дета лей в автомобильной промышленности / В. Ю. Лавриненко, Ю. А. Лавриненко, В. А. Говоров // Заготовительные производ ства в машиностроении. — 2019. — Т. 17. — ¹ 1. — С. 1725. 7. Lavrinenko, V. Y., Lavrinenko, Y. A. & Govorov, V. A. Materials for Manufacturing Automotive Industry HighStrength Fasteners / V. Y. Lavrinenko, Y. A. Lavrinenko, V. A. Govorov // Metallurgist. — 2020. — ¹ 63. Р. 960–966. 8. Лавриненко, Ю. А. Объемная штамповка на автоматах: учеб. пособие / Ю. А. Лавриненко, В. Ю. Лавриненко и др. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 264 с. 9. Лавриненко, В. Ю. Расчет сил деформирования при холод ной объемной штамповке / В. Ю. Лавриненко // Заготовитель ные производства в машиностроении. — 2017. — Т. 15. — ¹ 2. — С. 6773. 10. Олунд, Э. Cравнение ультравысокопрочной и обычной высокопрочной сталей для изготовления крепежа: механиче ские свойства при повышенной температуре и микроструктур ные механизмы / Э. Олунд, М. Лукович, Д. Вейдоу, М. Туван дер, С. Офферман, Технический центр холдинга Nedschroef (Нидерланды), Технический университет Delft, (Нидерланды), Технический университет Chalmers, (Швеция) // Заготовитель ные производства в машиностроении. — 2018. — Том 16. — ¹ 10. 11. Лавриненко, Ю. А. «Повышение технического уровня АТС за счет применения прогрессивных крепежных систем / Ю. А. Лавриненко, В. Ю. Лавриненко, П. Г. Шачнев // Автомобильная промышленность. — 2022. — ¹ 2.